李筱

“出身戰(zhàn)場”的GPS

GPS即“GIobal Positioning System”的縮寫，意為全球定位系統(tǒng)，其概念最初誕生于冷戰(zhàn)時(shí)期的太空競賽。當(dāng)時(shí)的科學(xué)家們通過無線電信號的“多普勒效應(yīng)”變化來追蹤衛(wèi)星的位置。美國海軍在20世紀(jì)60年代中葉進(jìn)行了衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)，為搭載了核導(dǎo)彈的美國潛艇提供定位服務(wù)，通過6顆極地衛(wèi)星，潛艇能夠捕捉衛(wèi)星的多普勒變化信號，在幾分鐘內(nèi)確定自身所在的位置，這就是GPS的前身。

在20世紀(jì)70年代早期，美國國防部想要擁有一個(gè)強(qiáng)大而穩(wěn)定的導(dǎo)航系統(tǒng)，于是在海軍科學(xué)家之前設(shè)想的基礎(chǔ)上，決定使用衛(wèi)星來構(gòu)建這一全球?qū)Ш较到y(tǒng)。1978年，美國國防部發(fā)射了第一顆帶有定時(shí)和測距功能的導(dǎo)航衛(wèi)星。整個(gè)GPS系統(tǒng)于1994年完成星座部署，投入全面運(yùn)行服務(wù)。

延伸閱讀 多普勒效應(yīng)

不知道你有沒有注意過這種現(xiàn)象：當(dāng)救護(hù)車迎面駛來時(shí)，它的鳴笛聲較高;而救護(hù)車離去時(shí)，它的鳴笛聲又變得較為低沉，這種現(xiàn)象就是多普勒效應(yīng)造成的。多普勒效應(yīng)是指波源和觀測者有相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀測者接收到的波的頻率與波源發(fā)出的頻率不同的現(xiàn)象。這一現(xiàn)象不僅被廣泛應(yīng)用于觀測衛(wèi)星及天體的運(yùn)動(dòng)，也被應(yīng)用在醫(yī)學(xué)彩超中。

多普勒效應(yīng)示意圖

天鵝周圍水波的多普勒效應(yīng)

地球的31顆“千里眼”

目前，太空中共有31顆GPS衛(wèi)星正在運(yùn)行。GPS目前提供兩種層級的服務(wù)，即標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（SPS）和精準(zhǔn)定位服務(wù)（PPS）。精準(zhǔn)定位服務(wù)的使用權(quán)限受到美國空軍、美國聯(lián)邦機(jī)構(gòu)和一些國家的武裝部隊(duì)、政府的嚴(yán)格限制，但標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)全球范圍內(nèi)所有用戶均可使用。

隨著科技的進(jìn)步，美國政府也在進(jìn)行GPS衛(wèi)星系統(tǒng)的現(xiàn)代化與更新。1999年，美國政府在GPS信號中增加了兩個(gè)民用信號頻道：一個(gè)是在GPSL2頻率中增加1227.60MHz的第二民用信號L2C，以滿足高精度科學(xué)用途需要：另一個(gè)是增加頻率在1176.45MHz的第三民用信號L5，用以滿足民用航空等關(guān)鍵生活生產(chǎn)安全需求。

環(huán)繞地球的31顆“千里眼”

除此之外，科學(xué)家還計(jì)劃在GPS信號中增加第四民用信號L1C，以達(dá)到和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）互通的目的。這個(gè)第四民用信號將會(huì)增加在GPSBlockⅢ衛(wèi)星中，目前正在開發(fā)中。

假如GPS失效了

現(xiàn)如今，人們對GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的依賴遠(yuǎn)遠(yuǎn)超乎想象。GPS衛(wèi)星搭載著與世界協(xié)調(diào)時(shí)（世界統(tǒng)一時(shí)間）保持一致的原子鐘，極為準(zhǔn)確的時(shí)間節(jié)點(diǎn)對于一些需要高速運(yùn)作，如電網(wǎng)和高速金融交易等行業(yè)的順利運(yùn)行十分重要，因?yàn)?/10000秒的分差就意味著數(shù)百萬美元的損失，甚至我們的互聯(lián)網(wǎng)也依賴于精確的GPS時(shí)間節(jié)點(diǎn)來接入路由數(shù)據(jù)。

如果GPS失效了會(huì)怎樣？導(dǎo)航失靈？交通癱瘓？遠(yuǎn)不止這些。GPS失效時(shí)，空中的飛機(jī)和海中航行的輪船會(huì)發(fā)現(xiàn)自己已經(jīng)與世隔絕;軍隊(duì)無法實(shí)時(shí)監(jiān)控犯罪分子的活動(dòng);人們無法獲取天氣預(yù)報(bào)信息;數(shù)字電視和廣播將會(huì)無法傳輸，最重要的是GPS的失效將會(huì)狠狠地沖擊我們的日常生活。

GPS失效會(huì)使交通癱瘓

延伸閱讀 遍地開花的全球?qū)Ш较到y(tǒng)

GPS系統(tǒng)已經(jīng)伴隨我們走過了數(shù)十個(gè)年頭，而人們也建立了包含GPS的全新概念——全球?qū)Ш较到y(tǒng)（GNSS），來解決與定位相關(guān)的一系列問題。

目前，除了美國的GPS系統(tǒng)，中國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS和歐盟的Galileo導(dǎo)航系統(tǒng)，也都已在全球范圍內(nèi)運(yùn)作，而印度與日本也已經(jīng)開發(fā)了適用于區(qū)域的導(dǎo)航系統(tǒng)，我們未來的生活將因這些科技的發(fā)展而更舒適便捷。

13微秒誤差，12小時(shí)混亂

2016年1月，美國空軍退役了一顆GPS衛(wèi)星，但一個(gè)錯(cuò)誤的時(shí)間節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)被上傳進(jìn)入了其他正在工作的衛(wèi)星，這使得這些衛(wèi)星的時(shí)鐘產(chǎn)生了13微秒的誤差，這個(gè)錯(cuò)誤在文字中看起來似乎微不足道，但卻給全世界帶來了超過12個(gè)小時(shí)的混亂。美國和加拿大發(fā)出的一些報(bào)告聲稱，警察、火警和無線電設(shè)備當(dāng)時(shí)都陷入混亂，無法工作，電網(wǎng)中還出現(xiàn)了異常信號。更令人震驚的是，這個(gè)13微秒的誤差導(dǎo)致英國廣播公司的數(shù)字廣播整整癱瘓了兩天！

GPS背后的人們

在享受地圖導(dǎo)航、外賣定位等便利的同時(shí)，你是否了解是誰發(fā)明了GPS呢？至少有4位科學(xué)家被認(rèn)為與這項(xiàng)最早源于美國國防部用于軍隊(duì)用途的革命性技術(shù)的發(fā)明有關(guān)。

羅杰·L·伊斯頓

羅杰·L·伊斯頓作為美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室空間應(yīng)用部門的前主管，是促成GPS發(fā)展形成的相關(guān)工程與技術(shù)應(yīng)用的“大腦”。作為冷戰(zhàn)時(shí)期的科學(xué)家之一，伊斯頓從事追蹤衛(wèi)星軌道的技術(shù)研究，曾主要致力于建立一個(gè)以時(shí)間為基準(zhǔn)的導(dǎo)航概念——時(shí)間導(dǎo)航，它被應(yīng)用于被動(dòng)測距、圓形軌道和與主時(shí)鐘同步的星載高精度時(shí)鐘里。時(shí)至今日，這些技術(shù)在任意一顆GPS衛(wèi)星中都十分重要。

伊萬·蓋亭

蓋亭博士因?qū)PS概念和發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)而受到了美國發(fā)明家名人堂的邀請，并在2003年被美國國家工程院授予了被譽(yù)為“工程學(xué)界的諾貝爾獎(jiǎng)”的查爾斯·斯塔克·德雷珀獎(jiǎng)。蓋亭博士提出了三維、時(shí)差定位導(dǎo)航系統(tǒng)。蓋亭博士說：

“在確認(rèn)了海軍已經(jīng)發(fā)展了一個(gè)很好的空間導(dǎo)航系統(tǒng)后，科研團(tuán)隊(duì)討論的結(jié)論是美國只能有一個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)，且這個(gè)系統(tǒng)應(yīng)基于空軍、航空航天的概念，被稱為GPS，由空軍與三個(gè)合作部門聯(lián)合開發(fā)。”

布拉德·帕金森

1972—1978年，布拉德·帕金森在NAVSTAR GPS聯(lián)合項(xiàng)目辦公室中擔(dān)任重要職位。美國發(fā)明家名人堂明確指出，作為該項(xiàng)目第一任負(fù)責(zé)人，他一直是GPS系統(tǒng)概念、工程開發(fā)和實(shí)施的首席架構(gòu)師，這也為帕金森贏得了“GPS之父”的美譽(yù)。帕金森在參與這個(gè)項(xiàng)目之前已經(jīng)是一名空軍上校，被委派重新啟動(dòng)一個(gè)空間和導(dǎo)彈系統(tǒng)組織計(jì)劃，代號為621B，旨在為導(dǎo)航提供高度、經(jīng)度以及緯度數(shù)據(jù)。

格拉迪斯·韋斯特

早在1956年，韋斯特博士已就職于美國海軍武器實(shí)驗(yàn)室。這里曾是冷戰(zhàn)后太空競賽的前沿陣地，也是海軍太空監(jiān)視中心的所在地。韋斯特博士是一名數(shù)學(xué)家，精于處理衛(wèi)星數(shù)據(jù)，以確定衛(wèi)星的確切位置。2018年12月，韋斯特博士最終被邀請加入空軍、太空和導(dǎo)彈先驅(qū)名人堂，這是美國空軍的太空指揮最高榮譽(yù)。據(jù)介紹，韋斯特博士的貢獻(xiàn)使得“關(guān)于大地水準(zhǔn)面的計(jì)算變得越來越精細(xì)，最終優(yōu)化為GPS軌道”。

（責(zé)任編輯/陳瑩 美術(shù)編輯/楊雅萌）

羅杰·L·伊斯頓（圖片來源/Wiki）

伊萬·蓋亭（圖片來源/美國國家工程院）

布拉德·帕金森（圖片來源/Wiki）

格拉迪·斯韋斯特（圖片來源/Wiki）